丁一汇院士重磅解读！东亚旱涝事件驱动因素的新视角

中国气象爱好者 · 公众号 · 科学 · 2024-12-04 23:39

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导读

近年来, 东亚极端旱涝事件频发. 周文教授团队在东亚旱涝的平流层前兆因子以及巴基斯坦洪水导致东亚热浪的动力过程方面取得进展, 这为我们理解东亚旱涝事件的驱动因子提供了一个新视角. 文章对相关工作进行了解读.

1 引言

东亚是世界上人口最为稠密的区域之一, 极端事件的发生(如热浪、洪水和台风等)将对当地人民的生产生活带来严重影响. 例如, 2021年7月, 河南出现了破纪录的特大暴雨, 郑州市一小时降雨量高达201.9mm. 2022年7~8月, 我国长江流域出现了历史罕见的持续性极端热浪和干旱, 重庆北碚出现了45℃的极端高温和严重山火. 近年来, 东亚发生的极端旱涝事件频次越来越多, 持续越来越久, 强度越来越大(如: Mei和Xie, 2016; IPCC, 2021; Thompson等, 2023). 因此, 理解并找出东亚旱涝事件的驱动因子, 有助于提高对极端事件的多时空尺度预报水平, 并提升国家防灾、减灾、救灾能力, 极大减少极端天气事件带来的社会经济损失.

近期, 我国学者在东亚旱涝事件的驱动因素领域取得了重要进展. 受2020年6~7月的极端洪水启发, Zhang等(2024)揭示了平流层准两年振荡(QBO)对东亚夏季旱涝季节预测的应用前景; 在研究2022年盛夏的破纪录热浪事件中, Fu等(2024)揭示了上游巴基斯坦的对流扰动通过对流层高层西风带导致东亚热浪的动力途径. 上述成果重点分析了大气内部变率在我国旱涝、热浪事件中的贡献, 有望在季节和次季节尺度提升东亚旱涝事件的可预报性技巧.

2 东亚旱涝的平流层前兆因子

QBO是热带平流层纬向东西风交替下传的一种现象, 其平均周期约为28个月. Zhang等(2024)发现, QBO会在热带和副热带之间激发出一个次级环流圈以维持热成风平衡, 该次级环流圈可以逐渐下传至上对流层, 并将纬向风异常带到副热带上对流层. 由此, 副热带纬向风变化导致东亚上空出现Rossby波源异常, 激发上对流层波流反馈并放大QBO的影响, 导致东亚上空出现气旋式环流异常. 该环流异常可以进一步调节温度平流、垂直速度和水汽输送, 最终东亚降水出现以30°N为中心南北振荡的偶极子(图1a).

图 1 QBO-海温影响东亚降水机理示意图及季节预测效果

修改自Zhang等(2024)

Zhang等(2024)基于QBO指数和传统海温信号构建了季节统计预测模型, 并诊断了QBO对东亚降水南北振荡偶极子的相对贡献. 结果表明, 该模型可以解释东亚南北振荡降水型方差的75.8%(图1b), 并可提前至少3个月预测夏季7~8月份旱涝分布. 特别地, 2020年和2021年盛夏的“南旱北涝”模态有30%来自QBO的贡献(图1c). 这一结果表明, QBO在东亚夏季降水变化中具有关键作用, 利用热带平流层大气进行夏季季节预测具有良好的前景.

在冬季, QBO可以影响平流层极涡的强度, 即Holton-Tan效应(Holton和Tan, 1980). QBO和东亚冬季降水的联系受Holton-Tan效应强度的调节(Zhang和Zhou, 2023). 但北半球夏季不存在平流层极涡, 因此这一影响路径在夏季失效. Zhang等(2024)的研究同样表明了QBO对东亚气候影响的季节依赖性.

3 巴基斯坦洪水导致东亚热浪的动力过程

2022年盛夏, 东亚季风区出现了非常极端的热浪事件. 与此同时, 南亚季风区推进的边缘——巴基斯坦遭遇了史无前例的洪水, 造成了严重的人员伤亡和经济损失. Fu等(2024)基于观测和一系列数值模式试验, 系统性揭示了巴基斯坦洪水导致东亚大范围热浪的动力途径机制. 结果表明, 巴基斯坦的深对流可以激发出对流层上层的辐散风异常, 当辐散风触碰到副热带西风带急流南侧涡度梯度的大值区后, 可以有效激发出Rossby波源, 并向东传播Rossby波列, 最终导致东亚地区出现异常高压和持续性热浪天气(图2).

图 2 连接巴基斯坦洪水与东亚热浪之间的动力途径示意图

修改自Fu等(2024)

研究进一步分析了全球海温强迫和大气内部变率的相对贡献. 结果表明, 连接巴基斯坦洪水和东亚热浪间的动力途径主要受大气内部变率调控. 通过一组线性斜压模式的敏感性试验, 研究发现该动力途径根植于对流层上层的西风带动力学, 巴基斯坦的对流在7~8月能够最有效激发出下游的大气环流异常. 相关成果有助于提高我国夏季极端事件的次季节预报能力, 同时也完善了南亚和东亚子季风系统间相互作用的动力反馈过程(Ding和Wang, 2005; Li等, 2023; Tang等, 2023).

4 对未来研究的启示

上述研究强调了大气内部变率在次季节-季节时间尺度驱动我国极端洪水和干旱事件形成中的重要作用. 如何将这些成果应用并提升业务预报水平是接下来需要深入研究的内容. 此外, Fu等(2024)发现的动力途径可以随不同背景态的变化而变化. 例如, 局地和远洋的海温可以影响对流层上层西风急流, 进而影响Rossby波响应的强度和位置. 未来的研究可着眼于这条动力途径的变化特征及其与其他气候现象的相互作用.

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